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Medical Tool Tracking in Fluoroscopic Interventions [Elektronische Ressource] : New Insights in Detection and Tracking of Tubular Tools / Tim Hauke Heibel. Gutachter: Nassir Navab ; Alejandro F. Frangi. Betreuer: Nassir Navab

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Published 01 January 2011
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Language English
Document size 6 MB

Computer Aided Medical Procedures
(CAMP)
Prof. Dr. Nassir Navab
Dissertation
Medical Tool Tracking in Fluoroscopic Interventions
New Insights in Detection and Tracking of Tubular Tools
Tim Hauke Heibel
Fakultät für Informatik
Technische Universität MünchenTECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
Fakultät für Informatik
Computer-Aided Medical Procedures & Augmented Reality / I16
Medical Tool Tracking in Fluoroscopic Interventions
New Insights in Detection and Tracking of Tubular Tools
Tim Hauke Heibel
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Informatik der Technischen Universität
München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Burschka
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr. N. Navab
2. Prof. Dr. A. Frangi,
Universität Pompeu Fabra, Barcelona, Spain.
Die Dissertation wurde am 23.09.2010 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Informatik am 11.03.2011 angenommen.Abstract
These days, fluoroscopic imaging is the modality used most widely to guide physicians
during minimally invasive abdominal interventions. They involve transarterial chemoem-
bolization for hepatocellular carcinoma, the placement of transjugular intrahepatic por-
tosystemic shunts or needle aspiration of solitary lung nodules, to name a few. These
kinds of interventions share the task of navigating a surgical tool to a specific anatomical
site. Difficulties for the physicians arise from the fact that fluoroscopy, a two-dimensional
modality, is used to support an actually three-dimensional navigation task. Thus, en-
hanced navigation procedures incorporating three-dimensional data are desired for fluo-
roscopic interventions. Not only should they improve the navigation but also offer the
potential to reduce treatment time and radiation exposure for the patient as well as the
physician. Due to the complexity of such a system and despite previous efforts, an inte-
grated solution does not yet exist.
Localization of medical tools and the estimation of their motion are core components
of such a navigation system and this work focuses on related methods to improve the
detection and tracking during fluoroscopic interventions.
To this end, different image enhancement algorithms required for the tool localization
are reviewed and analyzed in a unified framework. Based on the analysis a fast and
robust localization scheme is developed. Furthermore, a novel method for tracking the
toolsinanon-rigidenvironmentisintroduced. Thetrackingalgorithmisbasedondiscrete
optimization and thus it is derivative free and can deal with complex models. It is fast
and robust and hence complying with application specific constraints. Moreover, the
presented tracking method is generic and can be extended to closed curves, which makes
it applicable to other problems such as segmentation.
Based on the results, a novel respiratory motion estimation procedure is developed. It
is the basis for the creation of a navigation system and is essential in order to establish
the relation between the location of medical tools and three-dimensional data used for
the actual navigation.
Keywords:
Biomedical Image Processing, Image-Guided Interventions, Optical Tracking,
Computer-Aided NavigationZusammenfassung
Durchleuchtung ist heutzutage die Modalität der Wahl, um Ärzte bei der Navigati-
on während minimal-invasiven Eingriffen zu unterstützen. Abdominelle, minimal-invasive
Eingriffe sind vielfältig und umfassen transarterielle Chemo-Embolisation (TACE) bei
Hepatocellular carcinoma (HCC), die Platzierung von transjugulären intrahepatischen
portosystemischen Shunts (TIPS) oder auch die Punktion einzelner Knoten der Lun-
ge, um nur einige zu nennen. Eine Gemeinsamkeit dieser Art von Interventionen ist es,
dass der behandelnde Arzt während des Eingriffs ein interventionelles Werkzeug zu einer
bestimmten anatomischen Stelle, dem sogenannten Situs, navigieren muss. Schwierigkei-
ten bei der Navigation entstehen dadurch, dass zur Unterstützung bei dieser tatsächlich
dreidimensionalen Navigationsleistung Durchleuchtung, also eine zweidimensionale Mo-
dalität verwendet wird. Demzufolge ist die Entwicklung einer verbesserten Navigations-
unterstützung erstrebenswert, die im besten Fall etwaige vorhandene, dreidimensionale
Daten nutzt. Diese Verbesserungen sollen nicht nur die Navigation vereinfachen, sondern
möglichst auch Interventionszeiten verkürzen und damit die Belastung durch Röntgen-
strahlung und dies sowohl für den behandelnden Arzt als auch den Patienten. Aufgrund
der Komplexität solch eines Systems gibt es trotz verschiedenster Bemühungen bis heute
noch keine in den klinischen Alltag integrierte Lösung.
DieLokalisierungmedizinischerInstrumenteunddieBestimmungihrerBewegungsind
zentrale Komponenten eines solchen Navigationssystems. Diese Arbeit beschäftigt sich
mit Möglichkeiten zur Verbesserung von Methoden zur Detektion und dem sogenannten
Tracking medizinischer Instrumente in Durchleuchtungssequenzen.
Zu diesem Zweck werden verschiedene Algorithmen zur Hervorhebung und Detektion
von medizinischen Werkzeugen untersucht und in einem einheitlichen Framework analy-
siert. Basierend auf der Analyse, wird ein robustes Verfahren zur Detektion erarbeitet.
Desweiteren wird in dieser Arbeit ein neuartiges V zum Tracking nicht-linearer
Bewegungen von interventionellen Geräten beschrieben. Das Tracking-Verfahren ist nicht
gradientenbasiert und erlaubt deshalb die Verwendung komplexer Modelle. Desweiteren
ist das Verfahren effizient und entspricht somit strengen den Anforderungen der interven-
tionellen Radiologie.
Basierend auf den Ergebnissen, wird ein neues Verfahren zur Bestimmung der Atem-
bewegung entwickelt. Es bildet die Basis für zukünftige Navigationssysteme und ist not-
wendig, um eine Beziehung zwischen zweidimensionalen Positionen von Werkzeugen und
den dreidimensionalen Datensätzen für die eigentliche Navigation herzustellen.
Schlagwörter:
Biomedizinische Bildverarbeitung, Bildgestützte Interventionen, Optisches Tracking,
Computerunterstützte NavigationAcknowledgments
First of all, I would like to thank Nassir Navab for his continuous support. His highly
motivating spirit, his interest in the field of medical computer science and his attitude
towards scientific research inspired and helped me a lot. Without his feedback and inspi-
ration this work would not have been possible.
I also owe thanks to the Siemens Healthcare Angiography/X-Ray division (Forchheim,
Germany) for their financial support. In particular I would like to thank Markus Pfister
and Klaus Klingenbeck for their continuous support during my work.
I would also like to thank the people from CAMP for their part in creating the research
friendly environment which I had the pleasure to work within. In particular, I would like
to thank Ben Glocker for the many hours in which we discussed various problems on dis-
crete optimization, in which we worked jointly on tracking, registration and segmentation
problems and for the fun we had in our spare time. I also want to thank Darko Zikic, An-
dreas Keil, Olivier Pauly and Max Baust for the many fruitful discussions we had and the
joint work we did together. Many thanks got to Marco Feuerstein and especially Martin
Groher. Not only did they take vast amounts of work from my shoulders during the time
in which I was writing my thesis but they always supported me with valuable feedback
and their joint scientific experience. To all of you and those I did not mention, I would
like to say thank you once more. You have made writing my thesis a great experience
and have become more than mere co-workers.
I am much obliged to my family, my brother and especially my mother who supported
me throughout my whole studies making this thesis at all possible. Last but not least, I
would like to thank my beloved wife Elena. You have endured most of all and stood by
my side the whole time, encouraging me when I lacked courage, cheering my up when I
was not cheerful and listening to me when I needed to talk. You are the cornerstone of
this work.
Without any of you this thesis would not have been possible.
This work is dedicated to my father.
Dr. med. Jörg-H. Heibel
(January 18, 1949 – May 28, 1998)
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